Benvenuti a un nuovo appuntamento con la Rubrica Firmware Reload di Elettronica Open Source. In questa Rubrica del blog troverete articoli tecnici della vecchia rivista Firmware, che contengono argomenti e temi passati che sono ancora di interesse per Appassionati, Makers e Professionisti del mondo dell'elettronica. Analizziamo in questo articolo le funzionalità e le caratteristiche dell'NCN5120 di On Semiconductor.
Introduzione
Maggiore risparmio energetico, maggiore comfort e più elevati livelli di sicurezza sono le richieste fondamentali a cui devono rispondere oggi i sistemi di automazione e gestione residenziale. Ciò richiede la realizzazione di reti più o meno complesse di sensori, attuatori e unità di controllo e monitoraggio. Diversi nuovi standard si stanno affacciando sul mercato in questo ambito. Tra questi uno dei più interessanti è certamente lo standard KNX. Si tratta di uno standard aperto per il controllo residenziale, approvato come Standard Internazionale (ISO/IEC14543-3) come Standard Europeo (CENELEC EN 50090 e CEN EN 13321-1) e Standard Cinese (GB/Z 20965). Bassi costi operativi, elevata integrazione, interoperabilità tra i diversi vendor, flessibilità ed adattabilità a sviluppi futuri sono solo alcune delle sue funzionalità. Lo standard è compatibile con la specifica BACNet, come previsto dalla raccomandazione internazionale ISO16484-5, oppure offre la possibilità d’interfacciamento con la tecnologia DALI. E’ correntemente gestito dalla organizzazione omonima [1]; nel novembre 2012 aderivano ad essa oltre 300 tra membri e produttori di dispositivi e sistemi, provenienti da 33 diverse nazioni.
Alcuni cenni sullo standard
I livelli più bassi del protocollo KNX (adottando la nomenclatura OSI) sono il Physical Layer ed il Data Link Layer, che consentono la connessione dei dispositivi al mezzo fisico e la trasmissione dei token di protocollo. Il livello fisico, in particolare, prevede supporto per diverse modalità di trasmissione tra le quali quelle su doppino intrecciato (KNX TP), rete elettrica (KNX PL), link RF (KNX RF) e rete Ethernet (KNX IP). Nel caso di trasmissione su doppino (vedi [2]), in particolare, la velocità di comunicazione è 9600 bps, su cavi di impedenza di linea compresa tra 200 Ω/km e 75 Ω/km (con capacità massima di linea bus-to-bus di 800 pF/m a 800 Hz). L’accesso al mezzo è fisico e gestito mediante CSMA/CA. La rete è partizionata in diversi segmenti fisici, sui quali i nodi connessi sono indirizzabili mediante campo dedicato del messaggio inviato. La lunghezza massima di un segmento di rete è 1 km ma possono essere connessi insieme mediante repeater fino a 4 segmenti, coprendo così una distanza fino a 4 km. Il numero massimo di nodi che possono essere connessi alla rete è 57600.
Nel caso che stiamo considerando di connessione su doppino intrecciato, al livello fisico, la trasmissione dei bit avviene modificando il livello di tensione sul bus. Il bit ‘1’ corrisponde al livello DC della tensione di bus (compresa tra 20 V e 33 V) mentre il bit ‘0’ è trasmesso forzando un drop sulla linea. Tale drop (Figura 1) ha valore compreso tra 6 V e 9 V e produce un impulso idealmente rettangolare della durata di 35 μs; si parla, pertanto, del livello logico ‘0’ come di impulso attivo. Dopo ogni impulso attivo segue un periodo di equalizzazione della linea di durata di 69 μs (con un overshoot oltre la tensione nominale di bus che decade esponenzialmente) per un tempo complessivo di bit sulla linea di 104 μs. In generale, un transceiver per rete KNX su doppino intrecciato deve includere quindi: il trasmettitore, in grado di produrre adeguato impulso attivo, indipendentemente dalla impedenza vista sul caso e dalla tensione di bus (assorbendo quindi la corrente necessaria al fine di imporre il drop specificato dallo standard), il ricevitore, in grado di rilevare l’inizio dell’impulso attivo con adeguata isteresi, il circuito di accoppiamento al bus, per derivare direttamente dalla linea di ingresso una alimentazione DC a più bassa tensione per la propria stessa alimentazione, il circuito di controllo dinamico dell'impedenza.
Figura 1: Il livello di segnale su bus KNX in trasmissione su doppino intrecciato
NCN5120: TUTTO QUELLO CHE SERVE PER CONNETTERSI AD UNA RETE KNX
Un interessante dispositivo che implementa il livello fisico dello standard KNX (e una parte del livello Data Link) è l'NCN5120 disponibile presso On Semiconductor. La Figura 2 mostra lo schema a blocchi del componente, mentre un tipico schema applicativo è riportato in Figura 3.
Figura 2: Schema a blocchi dell'NCN5120
Figura 3: Schema applicativo dell'NCN5120
Si tratta, appunto, di un transceiver per impiego con coppie intrecciate (KNX TP1−256) in grado non solo di gestire la comunicazione sul bus, ma anche di derivare dalla linea di rete non regolata le tensioni necessarie al funzionamento suo e dei dispositivi (come un microcontrollore host per la gestione dei livelli più alti dello stack) connessi a valle. L'NCN5120 integra, come mostrato in Figura 2, due convertitori DC-DC, con topologia buck e con funzionalità di slope control programmabile (per la riduzione delle problematiche EMI) alimentati in ingresso dalla tensione VFILT. Il primo convertitore eroga una tensione di uscita fissa di 3.3V (usata anche dallo stesso componente); una linea accessoria (resetb) viene asserita quando il convertitore ha terminato l’inizializzazione (e può così essere usata come reset del microcontrollore host). La seconda uscita in tensione non necessaria al funzionamento dell'NCN5120, è invece regolabile mediante resistore esterno; può essere abilitata mediante opportuno comando e monitorata da remoto o da host.
Entrambi i convertitori hanno capacità di corrente in uscita fino a 100 mA ma, in realtà, la massima corrente erogabile è limitata dalle specifiche dello standard KNX, in ogni particolare applicazione, a valori che sono inferiori a tale limite e che dipendono dalla tensione e dalla corrente di bus (l'NCN5120, ad esempio, è in grado di assorbire fino ad un massimo di 13 mA dal bus KNX). Oltre alle uscite DC-DC, l'NC5120 dispone anche di un regolatore lineare LDO a bassa caduta (fino a 1 V) con tensione fino a 20 V. Tutte le linee regolate e la stessa tensione di bus di ingresso sono monitorate rispetto a soglie per sovratensione e sottotensione; in risposta ad eventi di fault, il sistema esegue precise transizioni di stato. Lo stato dei diversi circuiti di supervisione può essere acquisito dal microcontrollore host. L'NCN5120 richiede un segnale di clock in ingresso a 16 MHz generabile mediante generatore integrato o oscillatore al quarzo. Deriva quindi da questo un segnale di clock in uscita avente frequenza di 4, 8 o 16 MHz (in funzione della configurazione applicata e dei modi operativi) ed impiegabile per pilotare i dispositivi a valle. Dispone inoltre di funzionalità di watchdog.
L’interfaccia di comunicazione host è di tipo UART o SPI. Nel primo caso sono supportati (configurabili mediante pin di selezione) i baud rate di 19200 e 38400 bps; configurabile è anche l’utilizzo del bit di controllo di parità nella comunicazione. Su porta SPI, invece, il bit rate sostenuto può essere di 125 kbps o 500 kbps. La comunicazione è full-duplex; l'NCN5120 opera come master. L’host può richiedere l’invio di dati all'NCN5120 asserendo una linea dedicata (treq); in risposta a tale evento l'NCN5120 esegue una transazione con dati dummy trasferiti verso l’host. Oltre che per controllo da parte dell’host, la porta UART può essere anche usata in modalità Analog Mode, per connettere direttamente all’host stesso i circuiti di ricezione e trasmissione dell'interfaccia KNX. In tale modalità, tutte le funzionalità di codifica/ decodifica a livello di bit sono demandate all’host e l'NCN5120 funziona solo per la digitalizzazione ed il pilotaggio del bus e per derivare da questo le tensioni di alimentazione.
DIVERSI STATI OPERATIVI
Oltre al livello fisico dello stack KNX, l'NCN5120 implementa alcune delle funzioni del Data Link Layer, come verifica della checksum, controllo di parità, acknowledge e ripetizione del messaggio. Tutte le altre sono demandate invece al controller host. In funzione dei dati ricevuti e delle condizioni operative, l'NCN5120 esegue adeguate transizioni di stato (Figura 4) per la corretta gestione della comunicazione sulla rete KNX; lo stato corrente può essere acquisito direttamente dall’host mediante la porta UART/SPI. Lo stato di Reset dell'NCN5120 rappresenta, ad esempio, la condizione iniziale in cui il sistema si porta, per eseguire le proprie procedure di inizializzazione, al reset dopo il power on o a seguito di apposito comando inviato dall’host. Al termine di suddette procedure, il dispositivo transita, se tutti i parametri sono corretti, nello stato di Sync in cui attende che la linea di comunicazione sul bus resti muta per almeno 40 Tbit; al termine di ciò si porta quindi nello stato Normal in cui è abilitata la trasmissione di informazioni. Lo stato Stop rappresenta invece una condizione in cui l'NCN5120 può essere forzato da host per disabilitare temporaneamente la comunicazione sul bus KNX.
Figura 4: Gli stati operativi dell'NCN5120 (sezione digitale)
UNA SCHEDA DI VALUTAZIONE
L'NCN5120 è disponibile in package QFN40 con pad termico esposto per la saldatura diretta al PCB per favorire la dissipazione di calore. Per valutare prestazioni e caratteristiche del componente o anche per integrare velocemente il dispositivo in una propria applicazione, On Semiconductor rende disponile una scheda di sviluppo (vedi Figura 5) che, oltre al transceiver, include un microcontrollore della serie MSP430. La scheda consente di controllare direttamente, come espansione, fino a 4 carichi esterni a tensione elevata (da 3.3 V a 21 V, generata direttamente dall'NCN5120) e monitorare lo stato di altrettanti switch. La scheda è fornita corredata da schemi elettrici e file di sbroglio del circuito stampato, potendo così essere usata come design di riferimento per uno sviluppo proprio.
Figura 5: L’eval board per l'NCN5120
